EP0634833B1 - Regelungssystem für einen Leistungswandler - Google Patents

Regelungssystem für einen Leistungswandler Download PDF

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EP0634833B1
EP0634833B1 EP94305108A EP94305108A EP0634833B1 EP 0634833 B1 EP0634833 B1 EP 0634833B1 EP 94305108 A EP94305108 A EP 94305108A EP 94305108 A EP94305108 A EP 94305108A EP 0634833 B1 EP0634833 B1 EP 0634833B1
Authority
EP
European Patent Office
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value
current
detecting
transformer
magnetic flux
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94305108A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0634833A1 (de
Inventor
Noriko C/O Intellectual Property Div. Kawakami
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Publication of EP0634833A1 publication Critical patent/EP0634833A1/de
Application granted granted Critical
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/12—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac
    • G05F1/40—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices
    • G05F1/44—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using discharge tubes or semiconductor devices as final control devices semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/145—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/155—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/162—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only in a bridge configuration
    • H02M7/1623—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only in a bridge configuration with control circuit

Definitions

  • This invention relates to a control system for a power converter, and more particularly relates to a control system for a power converter which is composed of self-turn-off devices such as, gate turn-off thyristors (hereafter, simply GTOs), and is connected to a power system or loads via transformers, which can prevent DC magnetization of the transformer.
  • GTOs gate turn-off thyristors
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of a prior art control system for a power converter which is composed of GTOs (hereafter, called a self-commutated converter), and is used in a DC transmission system or a static var compensator and so on.
  • GTOs hereafter, called a self-commutated converter
  • PWM control circuit 10 determines the GTO firing pattern so that no DC component is contained in the output voltage of self-commutated converter 3. However, the actual output voltage takes a waveform which contains a DC component due to the variations in the characteristic of the GTO and the variations in the gate signal transmission time.
  • the voltage of power system 1 is usually AC voltage.
  • transient DC components may be included in the voltage of power system 1 such as when connecting the power capacitor or the transformer to power system 1.
  • the DC magnetization due to the DC component generated by power system 1 cannot be suppressed, because no correction due to the DC component of the power system 1 side is made. Therefore, when a transient DC component is generated in the power system 1, transformer 2 will be magnetized asymmetrically and lead to an over-current.
  • DE-A-4013171 discloses a device for removing DC components from the output of a multiphase DC/AC convertor comprising a DC source, a switching array, a filter and a transformer.
  • the voltage of each phase on the secondary side of the transformer is detected and compared with a reference signal to generate signals to control the switching of the switching array.
  • the switching signals of two of the three phases are also adjusted in dependence on the output from a respective DC component detector connected between that phase and the third phase.
  • EP-A-0361389 discloses a further device for removing DC components from the output of a multiphase DC/AC converter, comprising a DC source, a DC/AC inverter and a transformer.
  • the signal input to the primary side of the transformer is detected, and a DC component thereof is detected, and the DC/AC inverter . operation is controlled in accordance with the detected DC component.
  • the outer system may comprise a power supply or a load, and the system according to the invention enables suppression of DC magnetization of the transformer even for the DC component generated by the power system side (the outer system).
  • Figure 1 is a schematic diagram of a control system for a power converter according to an embodiment of this invention.
  • 5B is a current detector which detects the current on the primary winding side of transformer 2.
  • 12 is a subtractor for finding the difference between the transformer secondary winding current detected by a current detector 5A and the transformer primary winding current detected by current detector 5B.
  • Figure 2 shows a general equivalent circuit for transformer 2.
  • X1 and X2 are leakage inductances of transformer 2; R1 and R2 are copper losses of transformer 2; X0 is an excitation inductance of transformer 2; and i1, i2 and i0 are respectively, a primary current, a secondary current and an excitation current flowing in transformer 2.
  • the winding ratio of transformer 2 is taken as 1, excitation current i0 of transformer 2 is equal to the difference between primary current i1 and secondary current i2.
  • Excitation current i0 almost corresponds to the magnetic flux of the core of transformer 2. Therefore, if a DC component included in excitation current i0 is detected, the value of DC magnetization can be estimated.
  • the difference between the primary winding current and the secondary winding current of transformer 2 is computed by subtractor 12.
  • a DC component in the current difference is detected by DC component detector 8.
  • the output voltage instruction value from control circuit 7 is corrected by the DC component thus detected so that the DC magnetization is eliminated.
  • the DC magnetization of transformer 2 can be suppressed.
  • both DC magnetization due to the DC component included in the output of self-commutated converter 3 and the DC magnetization due to the transient DC component included in power system 1 can be corrected.
  • Figure 1 shows the embodiment wherein the winding ratio of transformer 2 is taken as 1. This invention is not limited to this embodiment.
  • Figure 1A shows a control system for a power converter according to another embodiment of this invention wherein the winding ratio of transformer 2 is 1 : n.
  • 17 is a multiplier which multiplies the secondary winding current of transformer 2 detected by current detector 5A by n.
  • the output of multiplier 17 is applied to subtractor 12, which finds the difference between the transformer primary current and the output of multiplier 17.
  • the following control is executed the same as in the embodiment shown in Figure 1.
  • the magnitude of the secondary winding current of transformer 2 is 1/n times that of the primary winding current of transformer 2.
  • Multiplier 17 is provided for this purpose.
  • a divider may be provided between current detector 5B and subtractor 12 which divides the primary winding current of transformer 2 detected by current detector 5B by n.
  • FIG. 1B shows a control system for a power converter according to a further embodiment of this invention wherein power converter 3 is a three-phase power converter.
  • transformer 2 is composed of a star-delta connection.
  • 5A1, 5A2 and 5A3 are current detectors for detecting the currents on the secondary windings of transformer 2, respectively.
  • 5B1, 5B2 and 5B3 are current detectors for detecting the currents on the primary windings of transformer 2, respectively.
  • a star-delta conversion circuit 18 is provided for this purpose.
  • the primary winding currents detected by current transformers 5B1, 5B2 and 5B3 are applied to star-delta conversion circuit 18.
  • 121, 122 and 123 are subtractors for finding the differences between the three outputs of star-delta conversion circuit 18 and the secondary winding currents detected by current transformers 5A1, 5A2 and 5A3, respectively.
  • DC component detector 8 detects the DC components contained in the outputs of subtractors 121, 122 and 123 and applies them to adders 91, 92 and 93, respectively.
  • Adders 91, 92 and 93 add the three phase components of the output of control circuit 7 and the three outputs of DC component detector 8, respectively and apply the respective sums to PWM control circuit 10.
  • a delta-star conversion circuit may be provided between current transformers 5A1, 5A2 and 5A3 in the secondary side and subtractors 121, 122 and 123.
  • circuit elements such as multiplier 17 and star-delta conversion circuit 18, are well known to those skilled in the art. Accordingly, the detailed description of the circuit construction of these circuit elements may be omitted.
  • both the DC magnetization due to the DC components included in the output of the power converter and the DC magnetization due to the transient DC component included in the outer system can be corrected by:
  • the case is considered in which a current including DC component is flowing from power system 1 to self-commutated converter 3.
  • the DC component of the primary winding current detected by current detector 5B is equal to that of the secondary winding current detected by current detector 5A in Figure 1, and no DC magnetization of transformer 2 occurs. Accordingly, the output of DC component detector 8 is zero, so that no correction to the instruction value outputted from control circuit 7 is executed.
  • 19 is a phase detection circuit, such as a phase locked loop circuit, which outputs a signal at every fundamental period of power system 1.
  • This signal is applied to a maximum value detection circuit 13 and a minimum value detection circuit 14.
  • the current difference between the transformer primary current and secondary current computed by subtractor 12 is also applied to maximum value detection circuit 13 and minimum value detection circuit 14.
  • Maximum value detection circuit 13 and minimum value detection circuit 14 detect the maximum and the minimum values of the current difference at every fundamental period of power system 1, respectively.
  • 15 is an arithmetic circuit which computes the center value of the current difference at every fundamental period of power system 1 from the maximum and minimum values. The center value is applied to adder 9.
  • FIG. 5 16 is a magnetic detector, such as a Hall element, for detecting the magnetic flux of the core of transformer 2.
  • the output voltage instruction of control circuit 7 is corrected using the value of magnetic flux of the core of transformer 2, instead of the current difference between the transformer primary winding current and the transformer secondary winding current in Figure 3.
  • the following control is executed the same as in the embodiment shown in Figure 3.
  • the relationship between excitation current and magnetic flux in transformer 2 is non-linear.
  • the excitation current only gradually increases until the core of transformer 2 reaches saturation. However, when the core reaches saturation, it increases rapidly. Therefore, in order to suppress DC magnetization by correcting before saturation is reached, the detection of a DC component of a small excitation current, or a small variation in excitation current. In order to detect such a small variation, the detection of the excitation current must be highly accurate.
  • the magnitude of the excitation current is less than 10% of that of the rated current of a transformer. Therefore, when detecting the excitation current by the difference between the primary winding current and the secondary winding current, a current detector with an accuracy of 0.1% of the rated current is required in the case of detecting with an accuracy of 1% an excitation current the magnitude of which is 10% that of the rated current.
  • both the DC magnetization due to the DC component included in the output of self-commutated converter 3 and the DC magnetization due to the transient DC component included in power system 1 can be effectively corrected.
  • maximum value detection circuit 13 and minimum value detection circuit 14 detect the maximum and the minimum values from the inputted values at every fundamental period of power system 1. This invention is not limited to these embodiments. The maximum and the minimum values may be detected from the inputted values once for a plurality of fundamental periods of power system 1.
  • a center value is computed in arithmetic circuit 15, and correction of the instruction value of control circuit 7 is executed by the center value.
  • an appropriate value representing magnetic flux may be calculated from the magnetic flux or the exciting current in transformer 2 by a different method, and this value then may then be used for the correction of the instruction value from the control circuit, if DC magnetization of transformer 2 can be judged based on such a magnetic flux relating value.
  • both the DC magnetization due to the DC component included in the power converter and the DC magnetization due to the transient DC component included in the outer system can be corrected by finding a value representing the magnetic flux of the core of the transformer, such as the difference between the DC primary winding current and the DC secondary winding current of the transformer, or a magnetic flux itself, and correcting the output voltage instruction value of the power converter based on the value representing magnetic flux.

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Claims (10)

  1. Regelsystem für einen Umrichter (3), der eine Anzahl Schalteinrichtungen enthält und über einem Transformator (2), der einen Kern aufweist, mit einem äußeren System (1) verbunden ist, wobei das Regelsystem umfaßt:
    eine Erzeugungsvorrichtung (7) für einen Ausgangsspannungs-Anweisungswert, die einen Anweisungswert für eine Ausgangsspannung des Umrichters (3) erzeugt;
    Korrekturvorrichtungen (5, 8, 9) zum Korrigieren des Anweisungswerts und zum Erzeugen eines korrigierten Anweisungswerts für die Ausgangsspannung des Umrichters (3); und
    Signalerzeugungsvorrichtungen (10, 11) zum Erzeugen eines Signals abhängig von dem korrigierten Anweisungswert, wobei das Signal an die Schalteinrichtungen des Umrichters (3) angelegt wird, um die Ausgangsspannung.des Umrichters (3) zu regeln, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Korrekturvorrichtung (5A, 5B, 8, 9, 12; 5A, 5B, 9, 12, 13, 14, 15; 9, 13, 14, 15, 16) einen korrigierten Anweisungswert erzeugt, und zwar abhängig von einem Wert, der den Gleichanteil des magnetischen Flußes im Kern des Transformators (2) darstellt.
  2. Regelsystem nach Anspruch 1, worin die Korrekturvorrichtung enthält:
    eine Erfassungsvorrichtung (16) für den magnetischen Fluß, die den magnetischen Fluß im Kern des Transformators (2) erfaßt;
    eine Maximalwert-Erfassungsvorrichtung (13), die so geschaltet ist, daß sie den magnetischen Fluß empfängt und innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne einen Maximalwert des magnetischen Flußes erfaßt;
    eine Minimalwert-Erfassungsvorrichtung (14), die so geschaltet ist, daß sie den magnetischen Fluß empfängt und innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne einen Minimalwert des magnetischen Flußes erfaßt;
    eine Mittelwert-Berechnungsvorrichtung (15) zum Berechnen eines Mittelwerts aus dem Maximalwert und dem Minimalwert innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne, wobei der Mittelwert der Wert ist, der den Gleichanteil des magnetischen Flußes darstellt; und
    eine Erzeugungsvorrichtung (9) für korrigierte Anweisungswerte, die so geschaltet ist, daß sie den Anweisungswert und den Wert empfängt, der den Gleichanteil des magnetischen Flußes darstellt, und den korrigierten Anweisungswert für die Ausgangsspannung des Umrichters (3) erzeugt.
  3. Regelsystem für einen Umrichter nach Anspruch 2,
       wobei die Korrekturvorrichtung zudem einen Phasendetektor (19) zum Erfassen einer Grundschwingungsdauer des äußeren Systems (1) enthält,
       und für die Korrekturvorrichtung gilt:
    die Erzeugungsvorrichtung (16) für den magnetischen Fluß enthält ein Hallelement, das in dem Transformator (2) bereitgestellt ist und den magnetischen Fluß im Kern des Transformators (2) erfaßt;
    die Maximalwert-Erfassungsvorrichtung (13) enthält eine Maximalwert-Erfassungsschaltung, die so geschaltet ist, daß sie den magnetischen Fluß und die Grundschwingungsdauer als die vorbestimmte Zeitspanne empfängt und den Maximalwert des magnetischen Flußes innerhalb der Grundschwingungsdauer erfaßt;
    die Minimalwert-Erfassungsvorrichtung (14) enthält eine Minimalwert-Erfassungsschaltung, die so geschaltet ist, daß sie den magnetischen Fluß und die Grundschwingungsdauer als die vorbestimmte Zeitspanne empfängt und den Minimalwert des magnetischen Flußes innerhalb der Grundschwingungsdauer erfaßt;
    die Mittelwert-Berechnungsvorrichtung (15) enthält eine Arithmetikschaltung, die während der Grundschwingungsdauer aus dem Maximalwert und dem Minimalwert den Mittelwert berechnet, wobei der Mittelwert der Wert ist, der den Gleichanteil des magnetischen Flußes darstellt; und
    die Erzeugungsvorrichtung (9) für korrigierte Anweisungswerte enthält einen Addierer, der den Anweisungswert und den Wert addiert, der den Gleichanteil des magnetischen Flußes darstellt, um den korrigierten Anweisungswert zu erzeugen.
  4. Regelsystem nach Anspruch 1, worin die Korrekturvorrichtung enthält:
    eine Stromdifferenz-Erfassungsvorrichtung (5A, 5B, 12) zum Erfassen einer Stromdifferenz zwischen einem Primärwicklungsstrom (i1) und einem Sekundärwicklungsstrom (i2) des Transformators (2);
    eine Maximalwert-Erfassungsvorrichtung (13), die so geschaltet ist, daß sie die Stromdifferenz empfängt und einen Maximalwert der Stromdifferenz innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne erfaßt;
    eine Minimalwert-Erfassungsvorrichtung (14) die so geschaltet ist, daß sie die Stromdifferenz empfängt und einen Minimalwert der Stromdifferenz innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne erfaßt;
    eine Mittelwert-Berechnungsvorrichtung (15) zum Berechnen eines Mittelwerts aus dem Maximalwert und dem Minimalwert innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne, wobei der Mittelwert der Wert ist, der den Gleichanteil des magnetischen Flußes darstellt; und
    eine Erzeugungsvorrichtung (9) für korrigierte Anweisungswerte, die so geschaltet ist, daß sie den Anweisungswert und den Wert empfängt, der den Gleichanteil des magnetischen Flußes darstellt und den korrigierten Anweisungswert für die Ausgangsspannung des Umrichters erzeugt.
  5. Regelsystem für einen Umrichter nach Anspruch 4,
       wobei die Korrekturvorrichtung zudem einen Phasendetektor (19) zum Erfassen einer Grundschwingungsdauer des äußeren Systems (1) enthält,
       und für die Korrekturvorrichtung gilt:
    die Stromdifferenz-Erfassungsvorrichtung umfaßt
    einen Primärstromdetektor (5B) zum Erfassen des Primärwicklungsstroms des Transformators,
    einen Sekundärstromdetektor (5A) zum Erfassen des Sekundärwicklungsstroms des Transformators,
    einen Subtrahierer (12) zum Berechnen der Differenz zwischen dem Primärwicklungsstrom und dem Sekundärwicklungsstrom;
    die Maximalwert-Erfassungsvorrichtung (13) enthält eine Maximalwert-Erfassungsschaltung, die so geschaltet ist, daß sie die Stromdifferenz und die Grundschwingungsdauer als die vorbestimmte Zeitspanne empfängt und den Maximalwert der Stromdifferenz während der Grundschwingungsdauer erfaßt;
    die Minimalwert-Erfassungsvorrichtung (14) enthält eine Minimalwert-Erfassungsschaltung, die so geschaltet ist, daß sie die Stromdifferenz und die Grundschwingungsdauer als die vorbestimmte Zeitspanne empfängt und den Minimalwert der Stromdifferenz während der Grundschwingungsdauer erfaßt;
    die Mittelwert-Berechnungsvorrichtung (15) enthält eine Arithmetikschaltung, die während der Grundschwingungsdauer aus dem Maximalwert und dem Minimalwert den Mittelwert berechnet, wobei der Mittelwert der Wert ist, der den Gleichanteil des magnetischen Flußes darstellt; und
    die Erzeugungsvorrichtung für korrigierte Anweisungswerte enthält einen Addierer (9), der den Anweisungswert und den Wert addiert, der den Gleichanteil des magnetischen Flußes darstellt, um den korrigierten Anweisungswert zu erzeugen.
  6. Regelsystem nach Anspruch 1, worin die Korrekturvorrichtung enthält:
    Stromdifferenz-Erfassungsvorrichtungen (5A, 5B) zum Erfassen einer Stromdifferenz zwischen einem Primärwicklungsstrom und einem Sekundärwicklungsstrom des Transformators;
    eine Gleichanteil-Erfassungsvorrichtung (8) zum Erfassen des Gleichanteils, der in der Stromdifferenz enthalten ist, wobei der Gleichanteil der Wert ist, der den Gleichanteil des magnetischen Flußes darstellt; und
    eine Erzeugungsvorrichtung (9) für korrigierte Anweisungswerte, die so geschaltet ist, daß sie den Anweisungswert und den Wert empfängt, der den Gleichanteil des magnetischen Flußes darstellt, und den korrigierten Anweisungswert für die Ausgangsspannung des Umrichters erzeugt.
  7. Regelsystem für einen Umrichter nach Anspruch 6, worin die Stromdifferenz-Erfassungsvorrichtung enthält:
    einen Primärstromdetektor (5B) zum Erfassen des Primärwicklungsstroms des Transformators,
    einen Sekundärstromdetektor (5A) zum Erfassen des Sekundärwicklungsstroms des Transformators,
    einen Subtrahierer (12) zum Berechnen der Stromdifferenz zwischen dem Primärwicklungsstrom und dem Sekundärwicklungsstrom.
  8. Regelsystem für einen Umrichter nach Anspruch 6,
       wobei das Windungszahlenverhältnis des Transformators den Wert 1 : n hat und
       die Stromdifferenz-Erfassungsvorrichtung enthält:
    einen Primärstromdetektor (5B) zum Erfassen des Primärwicklungsstroms des Transformators,
    einen Sekundärstromdetektor (5A) zum Erfassen des Sekundärwicklungsstroms des Transformators,
    einen Multiplizierer (17), der den Sekundärwicklungsstrom mit n multipliziert und einen multiplizierten Sekundärwicklungsstrom erzeugt; und
    einen Subtrahierer (12) zum Berechnen einer Differenz zwischen dem Primärwicklungsstrom und dem multiplizierten Sekundärwicklungsstrom und zum Ausgeben der Differenz als Stromdifferenz.
  9. Regelsystem für einen Umrichter nach Anspruch 6,
    wobei der Umrichter (3) ein dreiphasiger Umrichter ist und der Transformator (2) in Stern-Dreieck-Schaltung aufgebaut ist,
    und die Stromdifferenz-Erfassungsvorrichtung enthält:
    Primärstrom-Erfassungsvorrichtungen (5B1, 5B2, 5B3) zum Erfassen des Primärwicklungsstroms des Transformators;
    Sekundärstrom-Erfassungsvorrichtungen (5A1, 5A2, 5A3) zum Erfassen des Sekundärwicklungsstroms des Transformators;
    eine Stern-Dreieck-Umsetzvorrichtung (18) zum Umsetzen des Primärwicklungsstroms in einen umgesetzten Primärwicklungsstrom; und
    Subtrahiervorrichtungen (121, 122, 123) zum Berechnen einer Differenz zwischen dem umgesetzten Primärwicklungsstrom und dem Sekundärwicklungsstrom, wobei die Differenz die Stromdifferenz ist.
  10. Regelsystem für einen Umrichter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das äußere System entweder ein Netz oder eine Last enthält.
EP94305108A 1993-07-13 1994-07-13 Regelungssystem für einen Leistungswandler Expired - Lifetime EP0634833B1 (de)

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JP172766/93 1993-07-13
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EP0634833A1 EP0634833A1 (de) 1995-01-18
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